金屬3D打印技術(shù)憑借其按需定制、復(fù)雜成型、輕量化設(shè)計(jì)與快速響應(yīng)優(yōu)勢(shì)，正在推動(dòng)航空航天、生物醫(yī)療、能源動(dòng)力、高端汽車制造、模具工裝等關(guān)鍵領(lǐng)域的變革。然而，作為3D打印原料的金屬粉末，其物理化學(xué)特性直接影響著激光/電子束的熔池穩(wěn)定性、鋪粉均勻性與層間結(jié)合質(zhì)量，進(jìn)而決定了最終產(chǎn)品的精度、強(qiáng)度、缺陷率及可靠性等核心指標(biāo)。因此，要實(shí)現(xiàn)高性能應(yīng)用，首要前提在于：如何穩(wěn)定高效地制備出滿足特定工藝與最終使用需求的、高品質(zhì)金屬粉末？

3D打印用金屬粉末該長啥樣？

在探討先進(jìn)制備技術(shù)之前，明確3D打印對(duì)金屬粉末的核心性能要求是基礎(chǔ)。通常，金屬粉末的純度、粒度、形貌、流動(dòng)性、松裝密度等性質(zhì)都會(huì)影響其自身在工藝過程中的行為及最終構(gòu)件的質(zhì)量。

1、純度

3D打印用金屬粉末需要嚴(yán)格限制氮、氧含量，一是由于打印過程中金屬重熔后，元素可能以氣體形態(tài)存在，有可能在局部生成氣眼等缺陷，影響工件致密性及力學(xué)性能。二是由于為納米級(jí)3D打印粉體具有非常大的比表面積，若氮、氧含量較高，活性較大的粉末表面極易形成脆性氧化物/氮化物薄膜或內(nèi)部固溶等，這種雜質(zhì)一般具有較高的熔點(diǎn),難以燒結(jié)成形，最終直接導(dǎo)致打印過程易生孔隙、裂紋，成品強(qiáng)度、塑性驟降。

通常，業(yè)內(nèi)對(duì)氧含量的指標(biāo)一般要求在1500ppm以下，氮含量指標(biāo)一般要求在500ppm以下對(duì)于航空航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域要求則更為嚴(yán)格。

2、粒度及粒徑分布

粉末粒度是影響3D打印鋪粉層厚度與燒結(jié)效果的關(guān)鍵參數(shù)：

（1）對(duì)鋪粉效果影響：一般來說,鋪粉層厚度為50～100 um，為獲得均勻密實(shí)的粉層，鋪粉層厚度必須是粉末顆粒直徑的兩倍以上。

（2）對(duì)燒結(jié)效果影響：粉末粒度越小,比表面積越大，進(jìn)而使得燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力增大。因此,粒度小的粉末有利于燒結(jié)的順利進(jìn)行；

然而，不同3D打印技術(shù)，因其采用的能量源（如激光、電子束）和加工方式（鋪粉型、同軸送粉）各異，對(duì)粉末粒徑的要求存在顯著差異。以聚焦光斑精細(xì)的激光粉末床熔融技術(shù)（LPBF/SLM）為例，其更易熔化細(xì)粉，通常選用15~53μm的粉末；相反，基于電子束的鋪粉型打印機(jī)，其能量密度分布特性更適于熔化較粗粉末，因此以53-105μm的粗粉為主；而對(duì)于同軸送粉型打印機(jī)，為確保持續(xù)、穩(wěn)定的送粉，則往往采用粒徑為105-150μm的粉末。

此外，在理論上，細(xì)小的粉末顆粒間空隙小，鋪粉層間結(jié)合緊密，有利于提升燒結(jié)致密化效果和強(qiáng)度。但在實(shí)際操作中，微細(xì)粉末顆粒極易團(tuán)聚，反而可能抑制燒結(jié)密度的提升。為解決這一問題，可采用將細(xì)顆粒與粗顆粒按比例級(jí)配的策略：細(xì)顆粒可有效填充粗顆粒間的空隙，顯著提高粉末的堆積密度，進(jìn)而優(yōu)化打印零件的機(jī)械強(qiáng)度和表面質(zhì)量。

3、形貌/流動(dòng)性/松裝密度：

顆粒的形貌影響顆粒的流動(dòng)性及松裝密度。通常，3D打印金屬粉末要求球形度在98%以上，球形度越佳，衛(wèi)星粉越少，粉末顆粒的流動(dòng)性也越好，金屬3D打印時(shí)鋪粉及送粉也更容易進(jìn)行，同時(shí)也能形成更好的堆積性能，從而提高成型零件的致密性。

有哪些適用的制備技術(shù)？

在金屬粉末制備過程中，粉末顆粒會(huì)隨著制備方法的不同而呈現(xiàn)不同形狀，如球形、近球形、多角形、多孔海綿狀、樹枝狀等。當(dāng)金屬從氣態(tài)或熔融液態(tài)轉(zhuǎn)化為粉末時(shí)，顆粒通常趨向于形成球形；若材料由固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰?，所得顆粒則多呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)；而通過水溶液電解法制備的粉末，其典型形貌多為樹枝狀。鑒于球形粉末因其優(yōu)異的流動(dòng)性和填充特性最符合3D打印的應(yīng)用需求，工業(yè)生產(chǎn)中通常優(yōu)選霧化法，包括氣霧化法(GA)、等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)、等離子炬霧化法(PA)以及等離子球化法(PS)等。

1、氣霧化法：

氣霧化法采用高速氣流沖擊液態(tài)金屬流以形成小液滴，經(jīng)快速冷卻后凝固形成粉末，適用于鈦合金、鎳基高溫合金的制備。由于在破碎過程中不同大小的液滴相互接觸且冷卻速度不同導(dǎo)致霧化過程中易形成衛(wèi)星粉，在破碎過程中若氣體陷入液滴內(nèi)，則會(huì)形成空心粉，影響最終成形件的致密度。不過，由于適用材料廣泛，生產(chǎn)成本相對(duì)較低，產(chǎn)能高，該技術(shù)仍是目前3D打印金屬粉主要的規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)。

2、等離子旋轉(zhuǎn)電極法

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（PREP） 利用等離子弧持續(xù)熔化高速旋轉(zhuǎn)金屬棒料的端面。熔融的金屬在離心力作用下飛離旋轉(zhuǎn)體，形成細(xì)小的熔滴；隨后在表面張力與惰性氣體的共同作用下，熔滴快速冷卻凝固成球形金屬粉末。此過程的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于：細(xì)小的熔滴在分離后幾乎互不影響，且未受到氣體或其他介質(zhì)的沖擊擾動(dòng)，因此制得的粉末純度高、球形度優(yōu)異、流動(dòng)性佳、空心粉極少。 然而，該方法也存在顯著局限，包括設(shè)備和運(yùn)行成本極高、產(chǎn)量低、粉末平均粒徑相對(duì)偏大、原料僅限于棒材。因此，PREP 主要應(yīng)用于對(duì)粉末純度和球形度有嚴(yán)苛要求的領(lǐng)域，例如航空航天、生物醫(yī)療等行業(yè)的鈦及鈦合金粉末，以及鋯、鉭、鎳基高溫合金等活性或難熔金屬粉末的生產(chǎn)。

3、等離子炬霧化法

等離子炬

等離子霧化法利用等離子體作為熱源熔化金屬絲，并利用等離子體沖擊金屬液流以制備球形金屬粉末。該方法最突出的優(yōu)勢(shì)在于所制備粉末具備優(yōu)異的球形度，衛(wèi)星粉與空心粉的產(chǎn)生率顯著降低，且粉末整體粒徑偏細(xì)，尤其在45μm以下的細(xì)粉具有極高的收得率。同時(shí)，由于整個(gè)熔化和霧化過程中金屬絲材完全避免與等離子炬噴嘴產(chǎn)生接觸，這從根本上避免了噴嘴材料因受熱熔融而被金屬熔滴裹挾引入雜質(zhì)的問題，從而保障了最終粉末產(chǎn)品的高純度。而得益于等離子炬核心區(qū)可達(dá)極高溫度的特性，該方法的適用范圍極廣，理論上能制備幾乎所有現(xiàn)役的高熔點(diǎn)金屬及合金粉末，包括純鈦及鈦合金、鎳基合金、鈷鉻合金、鐵基合金等。

不過，與等離子旋轉(zhuǎn)電極法一樣，該技術(shù)同樣存在設(shè)備昂貴、能耗高的缺點(diǎn)，限制了其規(guī)?；a(chǎn)的應(yīng)用

4、等離子球化法

該技術(shù)并非是初級(jí)霧化技術(shù)，而是對(duì)（規(guī)則形狀或有缺陷的原始粉末進(jìn)行后處理，即將粉末送入高溫等離子炬中，粉末顆粒表層瞬間熔化，在表面張力作用下收縮變?yōu)榍蛐?，然后快速凝固得到球形粉體，主要應(yīng)用于對(duì)難熔/難加工金屬粉末進(jìn)行球化處理、不合格粉末的再生利用以及回收金屬粉末的再利用處理。不過需要注意的是，該技術(shù)中，粉末原材料的粒度分布和形貌對(duì)球化效果有很大影響，原始粉末粒度分布寬會(huì)導(dǎo)致小粉末顆粒過多蒸發(fā)或大粉末顆粒熔融不足，因此，為了實(shí)現(xiàn)粉末球化，必須控制原料粉末的形貌和粒度分布。

小結(jié)

高質(zhì)量的金屬粉末是金屬3D打印走向成熟工業(yè)應(yīng)用的基石。針對(duì)不同的打印工藝和應(yīng)用要求，需要精準(zhǔn)控制粉末的氧氮含量、粒度分布、球形度、密度、流動(dòng)性等關(guān)鍵因素。氣霧化法憑借其優(yōu)良的性價(jià)比和普適性成為主流技術(shù)，但對(duì)純度與形貌要求極高的應(yīng)用則需要依賴PREP或PA法。PS法則為提升粉體性能和實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用提供了重要補(bǔ)充路徑。粉體制造商需根據(jù)材料特性和最終應(yīng)用場(chǎng)景，選擇最合適的制備技術(shù)并進(jìn)行嚴(yán)格的工藝優(yōu)化與控制。

參考文獻(xiàn)：

1、齊正鵬.等離子同軸送絲霧化制粉設(shè)備設(shè)計(jì)及工藝研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué).

2、高超峰,余偉泳,朱權(quán)利,等.3D打印用金屬粉末的性能特征及研究進(jìn)展[J].粉末冶金工業(yè).

3、派芯材料，《增材制造技術(shù)及對(duì)粉末材料的要求》

4、華工激光，《技術(shù)干貨 | SLM成型流程與金屬粉末特性全盤點(diǎn)》

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